4.1. Основные термины и определения

Методы модуляции с расширением спектра сигналов первоначально нашли применение в военных и специальных системах связи, для которых характерны низкая вероятность перехвата и повышенная помехозащищенность. Эти методы лежат в основе так называемой технологии расширения спектра сигналов, которая в последнее время начинает широко использоваться в коммерческих системах связи.

Технология расширения спектра сигналов заключается в преднамеренном увеличении в передатчике полосы частот, занимаемой сигналом-переносчиком сообщений и существенно превышающей ту, которая необходима для передачи с требуемыми скоростью и уровнем искажений, и обратном ее уменьшении до информационной полосы частот в приемнике системы связи. В результате выполнения операции расширения спектра происходит уменьшение уровня спектральной плотности передаваемого сигнала, что затрудняет обнаружение факта работы системы связи и перехват передаваемых сообщений.

Благодаря низкому уровню спектральной плотности излучаемых сигналов с расширенным спектром системы связи могут использовать занятые участки радиочастотных диапазонов, не создавая существенных помех другим системам связи и службам.

При обратной операции сжатия спектра происходит восстановление первоначального спектра сигнала-переносчика сообщений и расширение, «размазывание» спектра сигналов преднамеренных и непреднамеренных помех. А поскольку в информационную полосу попадает лишь часть энергии сигналов, «размытой» в Широкой полосе частот, то в результате обеспечивается увеличение отношения мощностей сигнала и помехи (отношение сигнал/помеха), определяемое соотношением полос до и после сжатия спектра сигнала. Процесс ослабления помехи при обработке сигналов с расширенным спектром условно показан на рис.4.1.

Известны несколько методов модуляции с расширением спектра сигнала, которые можно классифицировать в соответствии с тем, по какому из четырех основных параметров радиосигнала: амплитуде, фазе, частоте или временному положению (задержке) осуществляется модуляция сигналом, расширяющим спектр.

Рис. 4.1. Спектры сигнала и помехи при обработке сигналов с расширенным спектром

Поскольку для обеспечения высокого КПД выходных каскадов передатчика амплитуду желательно сохранять постоянной, то к настоящему времени наибольшее распространение получили методы расширения спектра сигналов, основанные на изменении их фазы, частоты и временного положения (задержки) в соответствии с некоторым законом. Среди этих методов можно выделить следующие базовые:

• непосредственная модуляция несущей частоты псевдослучайной последовательностью (ПСП), иначе псевдослучайная частотная или фазовая манипуляция; в результате формируется так называемый сигнал с прямым расширением спектра (DSSS);

• программная перестройка рабочей частоты (ППРЧ), приводящая к формированию сигнала со скачкообразным изменением несущей частоты (FHSS);

• программная перестройка временного положения импульсных сигналов или псевдослучайная время-импульсная модуляция (ПВИМ). В итоге получаются импульсные сигнала со скачкообразным изменением временного положения (THSS);

• частотная модуляция по линейному закону (ЛЧМ); в этом случае мгновенная частота радиосигнала в течение интервала времени, равного длительности сигнала T_s, либо нарастает, либо убывает по линейному закону (Chirp Modulation) и в результате формируются ЛЧМ сигналы с различными законами изменения частоты.

Рассмотрим систему связи, в которой осуществляется передача дискретных сообщений со скоростью R_b, бит/с. После модуляции с расширением спектра полоса передаваемого сигнала увеличивается до W_ss, Гц, причем W_ss>>R_b. Величину W_ss будем называть шириной полосы сигнала с расширенным спектром. Предположим, что в канале связи кроме обычного теплового шума, имеющего одностороннюю спектральную плотность N₀ Вт/Гц, действует помеха мощностью P_j, которая распределена в пределах полосы W_j. После сжатия спектра ширина полосы полезного сигнала снова становится равной R_b, а спектральная плотность помехи – равной N_j = P_j/W_j. При этом спектральная плотность теплового шума останется неизменной. Отношение энергии сигнала, приходящейся на бит сообщения, к спектральной плотности эквивалентного шума определяется выражением

, (4.1)

Если мощность помехи намного больше мощности теплового шума, то N_j >> N₀, и (4.1) можно представить в следующем виде:

, (4.2)

где P_s/P_j – отношение мощностей полезного сигнала и помехи, а W_j/R_b = G – коэффициент расширения полосы или выигрыш при обработке сигналов системы.

Так как при оптимальной демодуляции сигналов вероятность ошибки зависит только от значения отношения E_b/N_0e, то максимально допустимое превышение мощности помехи над мощностью сигнала полностью определяется значением выигрыша при обработке G. Если учесть возможные энергетические потери L_s при реализации системы связи, то максимально допустимое превышение мощности помехи над мощностью сигнала, выраженное в децибеллах будет определяться так называемым коэффициентом помехозащищенности

M_j = G – L_s – E_b/N_0e, (4.3)

Например, при R_b = 5 кбит/с, W_ss = 20 МГц, E_b/N_0e = 20 и L_s = 2 коэффициент помехозащищенности M_j = 36 дБ – 13 дБ – 3 дБ = 20 дБ, т.е. мощность помехи может превышать мощность сигнала в 100 раз.